艦載搜索雷達組網(wǎng)體系研究

顧 兵，史厚寶，張 放

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

雷達組網(wǎng)可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的情報資源共享，完成對每個雷達的實時指揮控制，增加了實戰(zhàn)的可靠性，在戰(zhàn)場上構(gòu)成了全方位、立體化和多層次的戰(zhàn)斗體系，大大提高了防空能力，能有效對付各種平臺武器的攻擊，從而有效保護了被攻擊的目標，提高了目標的生存能力。對于艦載搜索雷達，其主要任務是對空、對海警戒以及反導搜索，對導彈、飛機以及海面目標進行全方位搜索、錄取處理，并將回波視頻信號、錄取的目標點跡數(shù)據(jù)或航跡信息傳送給指揮系統(tǒng)。通過對艦載搜索雷達進行編隊組網(wǎng)探測，能夠在雷達探測距離、抗低空突防、反隱身等能力上較單艦雷達有較大的改善，提高艦載搜索雷達覆蓋區(qū)的探測數(shù)據(jù)率，擴大有效搜索范圍，提升近程防御能力和生存能力。另外，隨著航母編隊戰(zhàn)斗群的形成，通過艦載搜索雷達組網(wǎng)可以形成編隊探測能力，有效增大近程探測防御范圍和精度，減少目標指示反應時間，提高近程武器系統(tǒng)反導、反低空小目標突防的能力，對整個航母戰(zhàn)斗群的生存起著至關(guān)重要的作用。

本文對艦載搜索雷達組網(wǎng)體系進行了研究，對組網(wǎng)雷達的布站形式，以及針對不同作戰(zhàn)任務條件下雷達組網(wǎng)布站的效能進行了仿真計算，從仿真結(jié)果可以看出組網(wǎng)使雷達探測概率和探測精度等有了極大的提高。本文研究結(jié)果對搜索雷達組網(wǎng)具有實際的應用價值。

1 艦載搜索雷達組網(wǎng)布站

1.1 布站流程

為了對雷達進行有效部署，首先要了解作戰(zhàn)環(huán)境，確定主要的防護區(qū)域；然后對目前雷達部署情況進行效能評估，判斷其是否滿足作戰(zhàn)需求。如果目前雷達部署情況能夠滿足作戰(zhàn)需求，則無需對雷達進行調(diào)動；否則，進行優(yōu)化布站，使雷達網(wǎng)滿足作戰(zhàn)要求。整個組網(wǎng)流程如圖1所示［1］。

作戰(zhàn)環(huán)境包括戰(zhàn)時的地理環(huán)境（氣候、地形、海況等）和戰(zhàn)斗環(huán)境（敵我雙方的位置分布、裝備狀況等）。確定防護的區(qū)域包括確定防護區(qū)域（高空、中空、低空、對海）和確定重點防護方向（敵方最有可能襲擊的方向）等。效能評估包括探測概率、探測精度、覆蓋率、重點區(qū)域的冗余度、抗干擾、抗低空突襲、反隱身、反輻射導彈等的評估。優(yōu)化布站可以根據(jù)一定的任務剖面（例如基于探測概率、基于探測精度、基于反隱身等），當然也可以綜合考慮所有的任務剖面，將優(yōu)化布站定義為各個任務剖面的函數(shù)，建立適當?shù)臄?shù)學模型，利用一些優(yōu)化算法（遺傳算法、粒子群算法等）進行求解得到最優(yōu)的布站模式［2］。

1.2 組網(wǎng)布站形式

雷達組網(wǎng)對網(wǎng)內(nèi)雷達進行合理的部署，不但可抑制干擾，還能改善低空探測性能、增大對隱身目標的探測距離，對目標進行跟蹤和狀態(tài)的實時估計。因此，在雷達組網(wǎng)時，如何高效率配置雷達，盡可能使單部雷達在網(wǎng)內(nèi)發(fā)揮最大效能，大幅度提升系統(tǒng)作戰(zhàn)能力是極其重要的問題。

在敵我對抗環(huán)境中，根據(jù)是否有重點防御區(qū)域，雷達組網(wǎng)有均衡布站和加權(quán)布站2種布站方式，如圖2所示。

圖2 均衡布站與加權(quán)布站

均衡布站的特點是網(wǎng)內(nèi)各雷達均勻分布，以面防御為主，無重點防御方向，主要用在目標來襲方向不明確的情況下。加權(quán)布站的特點是以某一方向防御為主，網(wǎng)內(nèi)各雷達沿重點防護區(qū)域?qū)哟畏植迹ǔＳ迷谀繕藖硪u方向確定的情況下。

根據(jù)雷達組網(wǎng)形狀可分為線性、三角形、方形、圓形布站等方式，如圖3所示。

圖3 不同網(wǎng)絡形狀布站

線性布站方式的優(yōu)點是正面探測范圍最大，并且由于正面探測區(qū)域重疊范圍大，對目標的發(fā)現(xiàn)概率大，抗干擾能力強。其缺點是除正面外，其他方向的探測能力減弱，由于受通信能力和火力銜接的影響，整體探測范圍較小，線陣太長會降低信息傳遞能力，導致系統(tǒng)效能降低。通常情況下，在敵來襲方向十分確定時采用此布站形式。三角形布站方式最大的優(yōu)點是以少量的雷達達到最大的覆蓋區(qū)域，是最經(jīng)濟的布站方式，并且各個雷達站之間可以自由互通，信息共享率高，但三角布站會出現(xiàn)探測盲區(qū)，所以雷達站之間間距不宜過大。方形布站方式（正方形部署）時，重疊系數(shù)比三角形部署的大，其雷達情報的可靠性、連續(xù)性及低空性能更好，但這也是站多的代價。環(huán)形布站方式搜索死角小，可在360°的范圍內(nèi)進行等概率搜索，并且其靜態(tài)配置面積比較大，受通信能力和火力銜接的影響小，但是此布站方式不分主次，無法對重點區(qū)域進行加強搜索。所以該布站方式通常是在敵主攻方向不明的情況下使用。

2 雷達組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)概率與定位精度

2.1 發(fā)現(xiàn)概率

在一定的虛警概率和檢測概率條件下，單部雷達的發(fā)現(xiàn)概率可以表示為［3］：

本文取n＝1，則y≈5.891 64，式（1）可以寫成：

由于雷達所處環(huán)境的不確定性，很難寫出綜合性的信噪比表達式，本文考慮在無源干擾狀態(tài)下的雷達探測概率，由文獻［4］，信噪比可以表示為：

式中：R為雷達到目標的距離；R0為信噪比為1時雷達的作用距離［5］：

式中：Pav為雷達平均發(fā)射功率；G為雷達天線的增益；λ為發(fā)射電磁波波長；σ為目標的散射截面；k＝1.38×10－23，為玻爾茲曼常數(shù)；T0＝290K，為室溫下的熱力學溫度；Bn為系統(tǒng)噪聲帶寬；Fn為接收機噪聲系數(shù)；Ls為雷達的系統(tǒng)損耗。

將式（3）代入式（2），得：

當有N部雷達同時探測時，假設它們相互獨立，同樣在無源干擾條件下，雷達組網(wǎng)的聯(lián)合探測概率為：

式中：Pi為第i部雷達發(fā)現(xiàn)目標的概率；SNRi為第i部雷達在特定距離上的信噪比。

組網(wǎng)雷達要求組網(wǎng)后的發(fā)現(xiàn)概率PL≥0.9，可對雷達網(wǎng)進行適當布置，使其在此發(fā)現(xiàn)概率條件下覆蓋面達到最大。

2.2 定位精度

為了評估雷達的定位性能，可以用幾何精度因子（GDOP）作為評價指標，GDOP的表達式可以表示為［6］：

由方差的性質(zhì)

由動態(tài)加權(quán)融合法［7］可以得到：

3 仿真與討論

3.1 基于探測概率

基于探測概率的優(yōu)化布站就是在防護區(qū)域內(nèi)，保證一定探測概率的情況下，對雷達進行優(yōu)化組合，使其覆蓋范圍最大。本文采用蒙特卡洛方法［3］，在一定的探測區(qū)域內(nèi)隨機產(chǎn)生n組數(shù)據(jù)并計算其探測概率，比較不同組網(wǎng)形式（線性、三角形和正方形）下雷達組網(wǎng)的覆蓋范圍。計算過程中采用的計算參數(shù)為：雷達發(fā)射頻率9.6GHz，雷達發(fā)射功率1.4kW，雷達脈沖寬度13×10－6s，雷達增益29dB，雷達接收機帶寬1MHz，雷達接收機噪聲系數(shù)4dB，雷達系統(tǒng)損耗10.5dB，目標的雷達橫截面積（RCS）＝100m2。

計算結(jié)果如圖4～7所示，在防護區(qū)域（125－0）×（125－0）＝15 625，圖中星號（＊）部分是雷達探測概率滿足PL≥0.9的覆蓋范圍，加號（＋）是雷達的位置。由于組網(wǎng)通信條件限制，這里雷達站之間的距離采用20km，線性雷達位置分布（35，62.5）、（55，62.5）、（75，62.5）、（95，62.5），其覆蓋面積為9 952；三角雷達位置分布（52.5，62.5）、（62.5，72.5）、（62.5，52.5）、（72.5，62.5），其覆蓋面積為9 171；方形雷達位置分布（52.5，72.5）、（52.5，52.5）、（72.5，72.5）、（72.5，52.5），其覆蓋面積為9 357。

圖4 單部雷達探測概率分布

圖5 直線形雷達布站探測概率分布

從計算結(jié)果可以得到，在防護區(qū)域一定、雷達間距一定、滿足一定概率的情況下，線性分布的探測范圍最大。因此對于艦載搜索雷達布站應根據(jù)需要選擇相應的布局模式，使任務剖面或者各個任務剖面綜合效率達到最高。

另外，由圖4可以看出，單部雷達的探測半徑達30km，因此可以在通信連接條件允許的情況下，適當擴大雷達之間的距離，使任務剖面效能達到最高。

3.2 基于探測精度

圖6 三角形雷達布站探測概率分布

圖7 方形雷達布站探測概率分布

雷達探測精度反映了雷達對目標的定位能力，雷達組網(wǎng)后可大幅度提高雷達的定位精度，對雷達適當組網(wǎng)可以對一些重要探測區(qū)域進行高精度定位，為作戰(zhàn)系統(tǒng)提供可靠的目標位置信息。本文仿真了不同雷達布站形式下雷達探測精度情況，計算中采用的雷達距離點跡精度為40×10－3km，雷達的方位點跡精度為4mrad，雷達的位置分布與3.1節(jié)設置相同。

從仿真結(jié)果圖8～11可以看出，雷達組網(wǎng)后對目標的探測精度比單部雷達有明顯的提高，這主要是因為雷達組網(wǎng)充分利用了各個雷達站對目標的測量信息，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的冗余，雷達數(shù)量越多，探測精度越高。例如，對于海平面上的某一目標，單部雷達的探測精度為 （σx1，σy1），2部雷達同時進行探測，根 據(jù) 式 （11），其 探 測 精 度 為 （1／（σx1＋σx2），1／（σy1＋σy2）），當有N 部雷達同時探測時，其探測精度 （σx，σy）將有大幅度提高。

另外，不同布站形式下探測區(qū)域精度分布不同，從仿真結(jié)果可以看出，總體上三角形布站與正方形布站探測精度相當，且均比直線形布站探測精度高，直線形布站橫向探測精度較高，因此在對雷達進行布站時，需根據(jù)任務剖面和作戰(zhàn)環(huán)境的不同，采用相應適當?shù)牟颊拘问健?/p>

圖8 單站雷達GDOP分布

圖9 直線布站GDOP分布

圖10 三角形布站GDOP分布

圖11 正方形布站GDOP分布

4 結(jié)束語

本文在不同任務使命的條件下進行不同組網(wǎng)體系的研究，對特定組網(wǎng)形式下的效能進行了評估。從結(jié)果中可以看到艦載雷達的組網(wǎng)體系不是一成不變的，需根據(jù)不同的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)任務實時調(diào)整布站形式以達到最佳的作戰(zhàn)效能。另外，本文只對某一任務剖面進行了仿真計算，在實際的作戰(zhàn)環(huán)境中需要綜合考慮各個任務剖面，建立適當?shù)臄?shù)學模型，利用一些優(yōu)化算法得到最優(yōu)的雷達站布置。

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